毕业设计（论文）-旋转式阵列结构激光杀灭器.doc

南昌航空大学科技学院学士学位论文1 绪 论 1.1旋转式阵列结构激光杀灭器设计目的旋转式阵列结构激光杀灭器设计是机械设计和机械电子工程(机电一体化)等专业的一个重要教学环节,是学完技术基础课及有关专业课的一次专业课内容的综合设计.通过设计提高学生的机构分析与综合的能力,机械结构设计的能力,此次设计要求设计学生能够实现设计装置的三个方面的独立运动。1，大臂的独立旋转运动；2，大臂的独立上升下降运动；3，横臂的独立左右运动。要实现第一个运动依靠电动机带动减速器旋转并且通过法兰连接来带动大臂的旋转；要实现第二及第三个运动依靠液压装置的活塞推动杆来推动大臂的上下运动和横臂的左右运动。研究激光主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极，各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等工件。本文的研究内容为激光产品的快速开发提供了有效方式，对关键技术的研究为提高激光机整体性能，改善切缝宽度和表面质量，提高激光工作效率、功率、切割质量等具有实用性。激光机技术已经越来越被现代工业所需求，具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，已在生产中获得广泛的应用，目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60以上。国内外研究资料表明，影响激光切割机切割质量和切割效率的因素很多，包括激光输出功率、切割气体压力、切割速度、焦点位置、切入点位置、材料厚度及材质甚至周围环境等等，如何改善激光机设计结构，选择相关工艺参数，提高切割质量切割及效率，是目前众多生产厂家及用户急待解决的实际问题。目前欧美国家大都已经基本做到激光加工代替机械加工的转变，以节约生产成本，改善产品性能，便于生产派生改型产品，适应速度多变的市场需求。然而，我国由于工业基础较差，发展进程慢，生产的激光切割机与国外的产品比较切缝宽、被切割表面质量低，切割质量各指标都远远落后。1.2选题的依据及意义：（1）背景：激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971年11月，美国通用汽车公司率先使用一台250W CO2激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于1974年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了10倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。多年以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。 （2）目的：研究激光主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极，各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等工件。本文的研究内容为激光产品的快速开发提供了有效方式，对关键技术的研究为提高激光机整体性能，改善切缝宽度和表面质量，提高激光工作效率、功率、切割质量等具有实用性。 (3)意义：激光机技术已经越来越被现代工业所需求，具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，已在生产中获得广泛的应用，目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60以上。国内外研究资料表明，影响激光切割机切割质量和切割效率的因素很多，包括激光输出功率、切割气体压力、切割速度、焦点位置、切入点位置、材料厚度及材质甚至周围环境等等，如何改善激光机设计结构，选择相关工艺参数，提高切割质量切割及效率，是目前众多生产厂家及用户急待解决的实际问题。目前欧美国家大都已经基本做到激光加工代替机械加工的转变，以节约生产成本，改善产品性能，便于生产派生改型产品，适应速度多变的市场需求。然而，我国由于工业基础较差，发展进程慢，生产的激光切割机与国外的产品比较切缝宽、被切割表面质量低，切割质量各指标都远远落后。1.3国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器。40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。主要应用在以航空航天、舰船、机车为主的运输机械领域；以电路板、封装等为主的电子信息领域；以手术治疗、生物芯片等为主的医疗领域以及用于制导武器的国防领域。大到国防，例如核弹等，小到我们身边的汽车、医疗等，激光制造技术的应用是无处不在的。 我国激光发展分三个阶段，第一阶段：70年代中期，我国开始激光切割试验；第二阶段：80年代中期，全套引进激光切割系统，广泛应用；第三阶段：90年代后，开始发展中、高功率的C02激光系统为工业界服务。激光NI技术被列入国家重点科技攻关，在自然科学基金，国家“863”计划，国家“火炬”计划等也有相当的项目被列入。并建立了三个国家级的激光加工中心。目前，国内的激光切割行业已经进入了一个飞速发展的时期，涌现了一批优秀的激光加工设备制造企业，如华中激光、大族激光等。但产业界和工业C02激光的使用，仍然有许多问题需要去解决，在新的加工应用领域、加工方式的开拓和关键技术的创新等方面的研究具有很高的实际意义。1.3研究（设计）内容 激光机是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,目前已成为工业和医疗一种先进的技术。 1.4本课题的内容和要求 1.4.1 原始数据 自由度（三自由度） 上下运动范围 100mm 左右运动范围 200mm 旋转范围 360 0.5r/min1.4.2 设计要求a、结构设计图、装配图、各主要零件图（一套）b、旋转式阵列结构激光杀灭器造型图(一套)c、设计计算说明书（一份） 2.1液压油缸的设计2.1.1旋转式阵列结构激光杀灭器简图 图1-1旋转式阵列结构激光杀灭器简图1液压缸 2液压缸 3大臂 4齿轮 5减速箱 6机架 7蜗杆 8蜗轮 9法兰盘 10激光器安装板 11 激光器调节支架 2.2 液压缸液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。液压缸的工作原理最基本5个部件：1-缸筒和缸盖，2-活塞和活塞杆， 3-密封装置，4-缓冲装置， 5-排气装置。 每种缸的工作原理几乎都是相似的，拿一个手动千斤顶来说，千斤顶其实也就个最简单的油缸了。通过手动增压秆(液压手动泵)使液压油经过一个单向阀进入油缸，这时进入油缸的液压油因为单项阀的原因不能再倒退回来，逼迫缸杆向上，然后在做工继续使液压油不断进入液压缸，就这样不断上上升，要降的时候就打开液压阀，使液压油回到油箱，这个是简单的工作原理，其他的都是在这个基础上改进的，缸跟油缸的原理基本相 同。 用途 液压缸（液压马达等执行机构）：将液压能转化为机械能 控制阀：控制液压油的流量，流向，压力，液压执行机构的工作顺序等及保护液压回路作用讲的通俗一点就是控制和调节液压介质的流向，压力和流量从而控制执行机构的运动方向，输出的力或力矩运动速度动作顺序，以及限制和调节液压系统的工作压力，防止过载等作用（如单向阀，换向阀，溢流阀，减压阀，顺序阀，节流阀调速阀等） 辅助元件： 1、油箱：用来储油，散热分离油中空气和杂质作用 2、油管及油管接头 3、滤油器 4、压力表 5、密封元件 优点 金属工件在表面滚压加工后，表层得到强化极限强度和屈服点增大，工件的使用性能、抗疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性都有明显的提高。经过滚压后，硬度可提高1530%，而耐磨性提高15%滚压加工可以使表面粗糙度从Ra6.3提高到Ra2.4Ra0.2。并且有较高的生产效率，有些工件可在数分或数秒钟内完成。滚压加工能解决目前某些工艺方法不易实现的关键问题。例如对特大形缸体的加工。同时它也适用于特小孔的精整加工或某些特殊材料的精整加工。滚压加工使用范围广，在各大、中及小型工厂均能使用。不论是从加工质量、生产效率，生产成本等方面来看，滚压加工都是一项比较优越的加工方法。在某些方面，它完全可代替精磨、研磨、珩磨等光整加工。目前，按外力传递到液压工具的加工方法可分为机械式、滚压式和弹簧式三类。按加工性质，可分为光精加工,强化加工两类。2.2.1 油箱在液压系统中的主要功用是： 1.贮存供系统循环所需的油液。2.散发系统工作时所产生的热量。3.释放混在油液中的气体.4为系统中元件的安装提供位置。油箱应该及时除去油液中沉淀的污物，在油箱中的油液必须使符合液压系统清洁度要求的油液。 结构液压系统中的油箱有整体式油箱、分离式油箱；开式油箱、闭式油箱等之分。吸油管和回油管应尽量相距远些，两管之间要用隔板隔开，以增加油液循环距离，使油液 有足够的时间分离气泡，沉淀杂质，消散热量。 2 涡轮 涡轮是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械。它是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机的主要部件之一。涡轮是在汽车或飞机的引擎中的风扇，通过利用废气把燃料蒸汽吹入引擎，以提高引擎的性能。 原理: 就拿汽油机工作原理来说，每向气缸里面提供1公斤的汽油，大约需要气缸吸入15公斤的空气，才能保证汽油充分燃烧。然而这15公斤的空气，其体积将是非常大的，光靠气缸在发动机进气过程产生的真空度，不容易将这么大体积的空气完全吸入。因此，提高发动机吸入气体的能力，也就是提高发动机的充气效率就显得尤为重要。有两种方法来增加发动机的进气量，第一种是后段式增压技术，从原理上讲，后段式增压技术就是采用专门的压气机将气体在进入气缸前预先进行压缩，提高进入气缸的气体密度，减小气体的体积，这样，在单位体积里，气体的质量就大大增加了，进气量即可满足燃料的燃烧需要，从而达到提高发动机功率的目的。增压过程中采用的压气机又叫做增压器。第二种是前段式进气技术，还是利用气缸的真空度，从进气支管将空气补充进气缸。不管是哪种技术，控制好进气量是关键。2.2.2蜗杆定义：只具有一个或几个螺旋齿，并且与蜗轮啮合而组成交错轴齿轮副的齿轮。其分度曲面可以是圆柱面，圆锥面或圆环面。 蜗杆传动结构：蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的，用于传递交错轴之间的运动和动力，通常两轴交错角为90。在一般蜗杆传动中，都是以蜗杆为主动件。 从外形上看，蜗杆类似螺栓，蜗轮则很象斜齿圆柱齿轮。工作时，蜗轮轮齿沿着蜗杆的螺旋面作滑动和滚动。为了改善轮齿的接触情况，将蜗轮沿齿宽方向做成圆弧形，使之将蜗杆部分包住。这样蜗杆蜗轮啮合时是线接触，而不是点接触。 2.2.3 法兰 定义 : 结构或机械零件上垂直于零件轴线突出的边缘。法兰又叫法兰盘或突缘。法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰分螺纹连接（丝接）法兰和焊接法兰。法兰连接：由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使连接严密不漏。法兰连接是一种可拆连接。按所连接的部件可分为容器法兰及管法兰；按结构型式分，有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰。常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰。平焊法兰的刚性较差，适用于压力p4MPa的场合；对焊法兰又称高劲法兰，刚性较大，适用于压力温度较高的场合。法兰密封面的型式有三种：平面型密封面，适用于压力不高、介质无毒的场合；凹凸密封面，适用于压力稍高的场合；榫槽密封面，适用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高的场合。2.3油泵 图2-1液压缸装配图2.3.1 油泵的选用 单作用式叶片泵，由于可以采用改变定子和转子间偏心距的方法来调节流量，所以一般适宜做成变量泵。叶片泵结构紧凑，外形尺寸运行平稳，输油量均匀，脉动及噪音小，耐久性好，使用寿命长，价格较柱塞泵便宜；效率比齿轮泵高，吸油高度不大于500mm，适用于中小流量的节流调节的液压系统中，常用于起重等机械中。2.3.2 油泵选用型号图2-2 油泵实物图 YB-A6B-FL-Y1其中：YB-级叶片泵 A-50系列 6-排量为6ml/n B-压力分级B:250800N/mm2 F-法兰安装 L-螺纹连接 Y1-榆1型2.3.3 液压油选用质量要求 (l)合适的粘度和良好的粘温性能，以保证液压元件在工作压力和工作温度发生变化的条件下得到良好润滑、冷却和密封。 (2)良好的极压抗磨性，以保证油泵、液压马达、控制阀和油缸中的摩擦副在高压、高速苛刻条件下得到正常的润滑，减少磨损。 (3)优良的抗氧化安定性、水解安定性和热稳定性，以抵抗空气、水分和高温、高压等因素的影响或作用，使其不易老化变质，延长使用寿命。 (4)良好的抗泡性和空气释放值，以保证在运转中受到机械剧烈搅拌的条件下产生的泡沫能迅速消失；并能将混入油中的空气在较短时间内释放出来，以实现准确、灵敏、平稳地传递静压。 (5)良好的抗乳化性，能与混入油中的水分迅速分离，以免形成乳化液，引起液压系统的金属材质锈蚀和降低使用性能。 (6)良好的防锈性，以防止金属表面锈蚀。 一般来说，该系统所用液压油应该符合的条件为：有高度的化学稳定性，良好的润滑性能，有很高的液膜强度，不侵蚀几件及破坏密封装置2，适宜的粘度和良好的粘温性能，在工作温度变化范围内，粘度变化量小，防火、防爆。在通常用油中选用20号机械油（HJ-20） GB443-6450C时 运动粘度系数为：1723 恩氏粘度（E）：2.63.31 2.4 液压油缸选用 2.4.1 液压油缸类型选择 根据设计要求可知，该机构所用的到液压系统需要两边都可以通入液压油，因此选取用两油液缸都选用双作用单杆活塞式液压油缸。 2.4.2 安装方式 根据系统设计要求可以知道，升降液压油缸缸底可以用圆形法兰安装，头部内螺纹安装；左右移动液压油缸用缸底内螺纹安装，头部使用内螺纹安装。2.4.3 液压油缸的主要参数 根据设计要求及查询国家标准液压油缸的主要参数可以选用如下：锻钢=11001200N/cm2 无缝钢管=10001100N/cm2 油缸工作压力P=25N/cm2 螺纹间距t11； T3小齿轮所传递的转矩(N.mm)； K载荷系数，见表； b齿宽(mm)； a中心距(mm)； b齿宽系数；b=0.9 H齿轮材料许用接触应力(MPa)，H=250MPa 因此有： 因此可以选用 齿根弯曲疲劳强度计算 轮齿在受载时，齿根所受的弯矩最大。因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。齿根的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合区最高点处。为了方便计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。齿根弯曲疲劳强度计算是为了防止齿根出现疲劳折断. 轮齿可看作为一悬臂梁，根据力学的相关理论并结合齿轮的传动的特点，可得齿根弯曲疲劳强度的校核公式为： （3.28） 查表有: 使用系数 动载系数 齿向载荷分布系数 齿形系数 应力修正系数 齿形修正系数 螺旋角系数 从合度系数 合格 3.4轴的设计和计算 该轴在此传动设计中是承受扭矩作用的传动轴，所以应该在扭转强度条件下 计算轴的直径。扭转强度条件为： (4.1)式中:轴的扭转切应力 轴所受的扭矩 轴的抗扭截面模量 轴的转速 轴的许用扭转切应力 轴所传递的功率 已知该轴为实心轴，所以 3.4.1轴的最小直径的初步的确定公式： (4.2)考虑到经济效益和生产成本等因素和工作情况的要求，所以选择轴的材料为碳钢 45# 正火处理（硬度），则可知轴的一些强度如下：抗拉强度极限 屈服强度极限 弯曲疲劳极限 剪切疲劳极限 轴的许用扭转切应力 ，根据所选择的材料确定的。 已知条件： 轴所受的力: 轴的转速: 式中：电机传到各轴的功率 通过计算可知各轴的最小直径,根据实际要求可以取: 3.4.2轴承的选择该轴承的选择是要与传动轴配合使用的，所以选用滚动轴承。通过对轴的要求和工作情况的考虑，轴承主要受径向力和轻微的轴向力，且该轴转速比较低，同时考虑到经济效益和生产成本等因素的影响，所以选择用圆柱和圆锥滚子轴承。分别选用：轴承6204、轴承6010、轴承2007110和轴承62063.4.3轴的强度校核 已知该轴受到轴向力和径向力的共同作用，所以应该采用弯扭合成应力校核该轴的强度。已知条件：轴所受的力，,轴的剪切疲劳极限 ,轴的许用扭转切应力: ，轴的大小, , .则对轴上的力分析：图3-4 轴2受力分析由上图知蜗轮Z2所在轴的面为危险截面,如下图所示:图3-5 蜗轮Z2受力情况画出弯矩图： 图3-6 弯矩图由前面计算可得： 又通过公式可知: 可得到公式: 又有 由于轴受到弯扭组合的共同作用，按第三理论强度进行校核，则由公式： (4.3)而： 合格3.4.4 旋转式阵列结构激光杀灭器实体图图 3-7.1 总装图 图 3-7.2 总装图图 3-7.3 总装图图 3-7.4 总装图4 总结 这次的毕业设计，从起初的不知从何下手，到后来的深入钻研。的确让我从中受益匪浅，同时，我也很珍惜这次的设计机会，不仅是大学的最后一个任务，也是踏入岗位前的一次磨炼。我相信，以后在面对困难的时候，我能更加从容的面对。 大学中的最后一次课程设计让我学到了许多东西，总结起来有以下几点：1 巩固了机械理论知识，在老师的精心指导下，补充了许多遗漏的知识，让我体会到理论知识的重要性，知识越完整设计就更全面。2 了解了设计中必不可少的几个阶段。毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面的全面培养学生的整体素质。通过这次毕业设计，我熟悉对液压装置和回转体设计和生产的基本过程，这些对我以后的工作和学习将起到非常大的作用。3 学会了对一些基本资料和工具书的查阅。作为机械专业，都是要靠数据说话的，每个细节都是有强大的实践和理论数据作为依据的，所以学会使用这些资料和查阅相关工具书显得极其重要。4 毕业设计培养和锻炼了我严肃认真、实事求是的严谨科学态度。也体会到了作为老师的不易和艰辛，增进了师生之间的交流。参考文献1成大先主编.机械设计手册(第三版,第三卷),第十四篇M.化学工业出版社,1992年2陈奎生主编.液压与气压传动M.武汉理工大学出版社,2005年3天津大学工业机械手编写组.工业机械手设计基础M.天津科学技术出版社,1980年 4于永泗,齐民主编.机械工程材料(第五版) M.大连,大连理工大学出版社,2003.55刘鸿文主编.材料力学(第四版) M.北京,高等教育出版社,2004.16